CN110707439A - 一种微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种微带阵列天线，其特征在于，包括辐射贴片阵列1、金属层2、介质基板3、馈电带线层4，所述辐射贴片阵列1与所述介质基板3之间形成有绝缘层；所述辐射贴片阵列1包括多个辐射单元；所述金属层2附着于所述介质基板3上表面，所述金属层2形成多个耦合槽；所述馈电带线层4附着于所述介质基板3下表面，包括多个馈电单元；每个所述辐射单元由上向下依次对应一个耦合槽和一个馈电单元；所述辐射单元由多个栅格贴片组成，各个栅格贴片呈二维均匀分布，每两个相邻辐射单元之间共用一个格栅贴片。本发明拓展了带宽；避免微带功分干涉；减小了天线排布面积；降低了天线的剖面高度，体积小，易集成，安装简单，造价低，加工周期短。

Description

一种微带阵列天线
技术领域
本发明涉及移动通信天线技术领域，具体地涉及5G双极化辐射天线阵列。
背景技术
超宽带宽、超高速率、超高容量、超低时延、超大连接是5G移动通信的最大特点。为保证5G超高速率、超高容量、超低时延的实现，5G系统采用了许多创新核心关键技术，Massive MIMO是其关键技术之一。
Massive MIMO，即大规模多输入多输出技术，旨在通过更多的天线，利用数字波束赋形技术调整天线增益的空间分布，使信号在通信过程中更集中的指向目标终端，从而大幅提升网络的覆盖能力；这种精准的目标指向特性减少了用户间干扰，多天线系统的分集增益也大大提升了系统的容量；同时多信道收发系统相比单信道系统，其衰落不再是深度衰落而是平滑衰落，从而可以省略原信道中抑制衰落的交织编码，使得超低时延移动通信的实现成为可能。
目前64T64R Massive MIMO产品实现中，天线的辐射单元有压铸单元、PCB单元(压铸结构的变形)、PCB贴片单元，塑料振子单元。压铸辐射单元重量大、剖面高、不易于集成；压铸阵列天线阵元之间的互耦较强，使天线隔离度变差，难以调试或调试件增多且复杂；PCB单元(压铸结构变形)重量小，剖面与压铸辐射单元类似，易于集成；PCB贴片单元重量小，易于集成，虽然比PCB(压铸结构的变形)剖面更低，但增益稍低于PCB单元(压铸结构的变形)；两种PCB结构单元的安装焊点多，均较为繁琐；塑料振子单元重量小，便于安装，生产规模化快，易量产，需要对生产工艺进行更新。
针对上述技术问题，有必要提供一种低剖面、小型化、频带宽、安装简单、易于集成的5G基站天线。
发明内容
本发明需要解决的问题是，解决5G阵列天线剖面高、传统微带阵列天线频带窄的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种微带阵列天线，包括辐射贴片阵列1、金属层2、介质基板3、馈电带线层4，所述辐射贴片阵列1与所述介质基板3之间形成有绝缘层；所述辐射贴片阵列1包括多个辐射单元；所述金属层2附着于所述介质基板3上表面，所述金属层2形成多个耦合槽；所述馈电带线层4附着于所述介质基板3下表面，包括多个馈电单元；每个所述辐射单元由上向下依次对应一个耦合槽和一个馈电单元；所述辐射单元由多个栅格贴片组成，各个栅格贴片呈二维均匀分布，每两个相邻辐射单元之间共用一个格栅贴片。
根据本发明的一个实施方式，所述的微带阵列天线还包括天线罩5，所述天线罩5与所述介质基板3之间用绝缘柱连接，形成绝缘层；所述辐射贴片阵列1容纳于所述天线罩5内，与所述天线罩5形成一体。
根据本发明的一个实施方式，所述绝缘柱为塑料柱，所述绝缘层为空气层。
根据本发明的一个实施方式，所述耦合槽的形状为十字形或W形。
根据本发明的一个实施方式，所述格栅贴片形状选自方形、圆形、多边形中的任一种。
根据本发明的一个实施方式，所述介质基板3在对应同一馈电单元中两条馈电带线交叉的位置形成有金属通孔，连通所述金属层2和其中一条馈电带线，形成桥架结构，用于避免馈电微带之间产生功分干涉。
根据本发明的一个实施方式，在纵向或横向方向上，以两个相邻辐射单元为一组，其对应的相邻两个馈电单元共用馈电点。
根据本发明的一个实施方式，每个馈电单元由±45°双极化构成馈线网络组成。
根据本发明的一个实施方式，所述辐射单元为正方形，沿与其边线平行的方向形成均分的N2个小正方形的格栅贴片，其中N取整数，且N≥2；相邻所述辐射单元之间对角排列，共用对角的格栅贴片。
根据本发明的一个实施方式，所述耦合槽为十字槽，十字槽两条开槽长度方向分别平行于所述正方形辐射单元的两条相互垂直的边。
本发明中采用将辐射单元分割为多个格栅贴片，由微带线耦合激励起两种贴片模式(TM10和TM20)，从而拓展带宽；利用桥架结构使馈电网络更为简单，避免微带功分干涉；相邻辐射单元共用栅格贴片，减小了天线排布面积；辐射贴片与天线罩5一体化设计，降低了天线的剖面高度；从电气来看，天线带宽在3.25-3.8GHz，经仿真，驻波在1.5以下，隔离度在-21.6dB以下，增益平均在12.1dB，水平波宽平均值为54.6°，垂直波宽平均值为31.8°；从结构来看本发明辐射单元结构简单，剖面只有0.06λ，体积小，易集成，安装简单，造价低，加工周期短。
附图说明
图1是微带阵列天线的示意图；
图2是辐射贴片阵列的正面示意图；
图3是本发明一个实施方式的金属层和馈电带线层的示意图；
图4是天线罩与介质基板之间连接的示意图；
图5是金属通孔的示意图；
图6是微带栅格贴片天线俯视透视示意图；
图7是天线的辐射方向图仿真曲线图；
图8是微带栅格贴片天线与等剖面高度普通微带天线的电压驻波比(VSWR)对比图；以及
图9是微带栅格贴片天线的极化隔离度仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，参考标号是指本发明中的组件、技术，以便本发明的优点和特征在适合的环境下实现能更易于被理解。下面的描述是对本发明权利要求的具体化，并且与权利要求相关的其它没有明确说明的具体实现也属于权利要求的范围。
图1示出了微带阵列天线的示意图。
如图1所示，一种微带阵列天线，包括辐射贴片阵列1、金属层2、介质基板3、馈电带线层4，所述辐射贴片阵列1与所述介质基板3之间形成有绝缘层；所述辐射贴片阵列1包括多个辐射单元；所述金属层2附着于所述介质基板3上表面，所述金属层2形成多个耦合槽；所述馈电带线层4附着于所述介质基板3下表面，包括多个馈电单元；每个所述辐射单元由上向下依次对应一个耦合槽和一个馈电单元；所述辐射单元由多个栅格贴片组成，各个栅格贴片呈二维均匀分布，每两个相邻辐射单元之间共用一个格栅贴片。
在图1中，各图中的贴片、耦合槽、以及馈电网络都是示意图，并未标示出其具体的结构，只示出了其相对位置。
在本实施方式中，所述辐射贴片阵列1与所述介质基板3之间采用绝缘柱分隔，二者之间形成的空气层作为绝缘层。
所述辐射单元的个数与所述耦合槽的数量以及所述馈电单元的数量相同，每个辐射单元唯一对应于一个耦合槽和一个馈电单元，相对应的辐射单元、耦合槽和馈电单元的中心点在同一条垂线上。
图2示出了辐射贴片阵列的正面示意图。
如图2所示，以18个辐射单元组成的辐射贴片阵列1为例进行说明。每个辐射单元被均分为16个格栅贴片。各个栅格贴片呈二维均匀分布是指在平面上，以任一格栅贴片为中心，其余相邻格栅贴片与之间距相同，如图2中的示例，将倾斜45度角的正方形平均分割为16个小正方形。
本实施方式中，所述辐射单元呈6×3阵列均匀排布，阵列中纵向每两个辐射单元构成一组。即，图示的a辐射单元和纵向相邻的b辐射单元组成一组，其对应的馈电单元共用馈电端点。整个辐射贴片阵列1可以由a+b的组合经过复制平移形成，a辐射单元与b辐射单元共用a下方与b上方的格栅贴片，图中标记为深色。
此外，a辐射单元与横向相邻的c辐射单元也共用二者之间的一个格栅贴片。本发明的这种相邻辐射单元之间共用格栅贴片的结构，使得天线排布面积大幅度缩减，有利于天线的小型化。
本发明采用将辐射单元进行分割，可以采用本实施方式中的均分，也可以采用均分与非均分相结合的方式，本发明优选将辐射单元均分的方式，通过馈电单元进行馈电和耦合槽进行耦合后，在辐射贴片阵列1形成TM10和TM20两种模式，使天线的带宽得到拓宽。例如，天线阵列采用18个辐射单元，每个辐射单元包含16等分的格栅贴片，辐射单元呈6×3阵列均匀排布，阵列中纵向每两个辐射单元构成一组，由威尔金森功分器功分馈电，每组由±45°双极化构成，耦合槽经微带功分耦合激励，在栅格贴片中形成TM10和TM20两种模式，从而拓展天线的带宽，经计算，相比采用整片辐射单元，只能产生TM10模式的情况，带宽提高量约4倍。采用将辐射单元均分的方式，一方面便于加工，另一方面能更好的与耦合槽相匹配，形成TM10和TM20两种模式。
图3示出了本发明一个实施方式的金属层和馈电带线层的示意图。
所述金属层2的耦合槽采用十字形结构，所述馈电单元采用双极化形式。
所述耦合槽除了采用图3中所示的十字形结构，还可以采用W形等其他形式，馈电单元还可以采用现有的或将来发明的各种组合方式。
图4示出了天线罩与介质基板之间连接的示意图。
如图4所示，所述的微带阵列天线还包括天线罩5，所述天线罩5与所述介质基板3之间用绝缘柱连接，形成绝缘层；所述辐射贴片阵列1容纳于所述天线罩5内，与所述天线罩5形成一体。
本发明利用天线罩5将辐射贴片阵列1整合为一体，一方面为辐射贴片阵列1提供支撑，另一方面实现了低剖面，进一步减小了天线的体积。
根据本发明的一个实施方式，所述绝缘柱为塑料柱，所述绝缘层为空气层。
根据本发明的一个实施方式，所述耦合槽的形状为十字形或W形。
所述耦合槽的作用为将TM10和TM20两种模式引入辐射贴片阵列1中，其形状可以采用如图3中所示的十字形，也可以根据发射频率的需求，进行合理的变形。
根据本发明的一个实施方式，所述格栅贴片形状选自方形、圆形、多边形中的任一种。除了上述形状，所述格栅贴片还可以选用现有的或将来发明的任意形状。
图5示出了金属通孔的示意图。
如图5所示，所述介质基板3在对应同一馈电单元中两条馈电带线交叉的位置形成有金属通孔，连通所述金属层2和其中一条馈电带线，形成桥架结构，用于避免馈电微带之间产生功分干涉。图5中，左图为馈电单元，+45°极化馈电带线和-45°极化馈电带线有多处交叉点，右放大图为某个交叉点的沿着-45°极化馈电带线的方向的横向视图，其余交叉点也有相同的结构。
根据本发明的一个实施方式，在纵向或横向方向上，以两个相邻辐射单元为一组，其对应的相邻两个馈电单元共用馈电点。除了以两个相邻辐射单元为一组之外，还可以采用三个一组、四个一组等，只要符合馈电单元相互之间、馈电单元内部线路之间的干涉最小。本发明优选像个相邻辐射单元为一组，既方便实现馈电带线之间的隔离又使同组间辐射单元同步，使产生的TM10和TM20两种模式实现叠加。
根据本发明的一个实施方式，每个馈电单元由±45°双极化馈电网络组成。
根据本发明的一个实施方式，所述辐射单元为正方形，沿与其边线平行的方向形成均分的N2个小正方形的格栅贴片，其中N取整数，且N≥2；相邻所述辐射单元之间对角排列，共用对角的格栅贴片。
所述格栅贴片的个数，可以根据需要进行分割，本发明优选为9-16个。特别是16个格栅贴片，与耦合槽之间配合，非常容易引入TM20模式。
根据本发明的一个实施方式，所述耦合槽为十字槽，十字槽两条开槽长度方向分别平行于所述正方形辐射单元的两条相互垂直的边。
所述耦合槽为十字槽时，与16个格栅贴片相配合，非常容易引入TM20模式，从而拓宽带宽。
实施例：
图6示出了本实施例微带栅格贴片天线俯视透视示意图。
图6中，最顶层到最底层依次为辐射贴片阵列1、金属层2和馈电带线层4。其中，Port1-11为从左上角开始各馈电端口的编号，第一行从左到右依次为Port1-6，第二行从左到右为Port7-12，以此类推。
图7示出了本实施例天线的辐射方向图仿真曲线图。
如图7所示，天线在3.5GHz频率的方向图，V-Polarization为垂直面主极化方向图，V-Crp为垂直面交叉极化方向图，H-Polarization为水平面主极化方向图，V-Crp为垂直面交叉极化方向图。其中水平半功率波束宽度为54.36°，垂直半功率波束宽度为31.86°，轴向交叉极化比为18.63dB，±60°交叉极化比为10.31dB，满足5G移动通信指标要求。
图8示出了微带栅格贴片天线与等剖面高度的普通微带贴片天线的电压驻波比(VSWR)仿真图。
如图8所示，天线在3.25-3.8GHz频段范围内各端口驻波曲线，其中Port1-Port18为微带栅格贴片天线各极化端口驻波比，从图中可以看出所有端口驻波比小于1.5的频带范围为3.25-3.8GHz，带宽0.55GHz，相对带宽达到16％；图中虚线为与微带栅格贴片等剖面高度的普通微带贴片天线的驻波比，驻波比小于1.5的带宽仅0.11GHz，相对带宽仅3.1％。可见微带栅格贴片天线带宽比普通微带天线提高了4倍左右。
图9示出了微带栅格贴片天线的极化隔离度仿真曲线图。
如图9所示，天线在3.5GHz频率的部分端口隔离度曲线中，
Port9-Port1、Port9-Port3、Port9-Port11为端口同极化隔离度；
Port9-Port4、Port9-Port8、Port9-Port10为端口异极化隔离度，
Port9-Port11端口同极化隔离度最差，数值为-24.68dB；
Port9-Port10端口异极化隔离度最差，数值为-21.67dB。本发明同极化最差的情况也满足5G移动通信指标要求。
本发明中所述的一种用于5G基站天线中的低剖面双极化微带栅格贴片天线，由微带线耦合激励起两种贴片模式从而拓展带宽，巧妙利用桥架结构使馈电网络更为简单，栅格贴片复用大大减小了天线排布面积，辐射贴片与天线罩5一体化设计，进一步降低了天线的剖面高度；从电气来看，天线带宽在3.25-3.8GHz，经仿真，驻波在1.5以下，隔离度在-21.6dB以下，增益平均在12.1dB，水平波宽平均值为54.6°，垂直波宽平均值为31.8°；从结构来看辐射单元机构简单，剖面只有0.06λ，体积小，易集成，安装简单，造价低，加工周期短。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种微带阵列天线，其特征在于，包括辐射贴片阵列(1)、金属层(2)、介质基板(3)、馈电带线层(4)，
所述辐射贴片阵列(1)与所述介质基板(3)之间形成有绝缘层；
所述辐射贴片阵列(1)包括多个辐射单元；
所述金属层(2)附着于所述介质基板(3)上表面，所述金属层(2)形成多个耦合槽；
所述馈电带线层(4)附着于所述介质基板(3)下表面，包括多个馈电单元；
每个所述辐射单元由上向下依次对应一个耦合槽和一个馈电单元；
所述辐射单元由多个栅格贴片组成，各个栅格贴片呈二维均匀分布，每两个相邻辐射单元之间共用一个格栅贴片。
2.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，还包括天线罩(5)，
所述天线罩(5)与所述介质基板(3)之间用绝缘柱连接，形成绝缘层；
所述辐射贴片阵列(1)容纳于所述天线罩(5)内，与所述天线罩(5)形成一体。
3.根据权利要求2所述的微带阵列天线，其特征在于，所述绝缘柱为塑料柱，所述绝缘层为空气层。
4.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，所述耦合槽的形状为十字形或W形。
5.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，所述格栅贴片形状选自方形、圆形、多边形中的任一种。
6.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，所述介质基板3在对应同一馈电单元中两条馈电带线交叉的位置形成有金属通孔，连通所述金属层2和其中一条馈电带线，形成桥架结构，用于避免馈电微带之间产生功分干涉。
7.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，在纵向或横向方向上，以两个相邻辐射单元为一组，其对应的相邻两个馈电单元共用馈电端点。
8.根据权利要求7所述的微带阵列天线，其特征在于，每个馈电单元由±45°双极化馈线网络组成。
9.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元为正方形，沿与其边线平行的方向形成均分的N2个小正方形的格栅贴片，其中N取整数，且N≥2；
相邻所述辐射单元之间对角排列，共用对角的格栅贴片。
10.根据权利要求9所述的微带阵列天线，其特征在于，所述耦合槽为十字槽，十字槽两条开槽长度方向分别平行于所述正方形辐射单元的两条相互垂直的边。
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